位微处理器8086及其系统结构.ppt

第2章 16位微处理器8086,第2章 16位微处理器8086,教学重点 8086的内部结构 8086对存储器分段管理的基本概念 寄存器的结构以及存储器组织 逻辑地址到物理地址的变换 8086的两种工作模式及其配置,2.1 8086微处理器,微处理器是微机的硬件核心，主要包含指令执行的运算和控制部件，还有多种寄存器 对程序员来说，微处理器抽象为以名称存取的寄存器 8086内部结构有两个功能模块，完成一条指令的取指和执行功能 总线接口单元BIU：负责读取指令和操作数 执行单元EU ：负责指令译码和执行,8086的内部结构,执行,总线接口单元BIU: 主要负责物理地址的形成、预取指令、指令队列排队、读/写操作数和总线控制。 执行单元EU: 主要负责指令译码和执行,8086的寄存器组,8086的通用寄存器,8086的16位通用寄存器是： AX BX CX DX SI DI BP SP 其中前4个数据寄存器都还可以分成高8位和低8位两个独立的寄存器 8086的8位通用寄存器是： AH BH CH DH AL BL CL DL 对其中某8位的操作，并不影响另外对应8位的数据,数据寄存器,数据寄存器用来存放计算的结果和操作数，也可以存放地址 每个寄存器又有它们各自的专用目的 AX累加器，使用频度最高，用于算术、逻辑运算以及与外设传送信息等； BX基址寄存器，常用做存放存储器地址； CX计数器，作为循环和串操作等指令中的隐含计数器； DX数据寄存器，常用来存放双字长数据的高16位，或存放外设端口地址。,变址及指针寄存器,变址寄存器常用于存储器寻址时提供地址 SI是源变址寄存器 DI是目的变址寄存器 指针寄存器用于寻址内存堆栈内的数据 SP为堆栈指针寄存器，指示栈顶的偏移地址，不能再用于其他目的，具有专用目的 BP为基址指针寄存器，表示数据在堆栈段中的基地址 SI和DI在串操作指令有特殊用法 SP和BP寄存器与SS段寄存器联合使用确定堆栈段中的存储单元地址,堆栈（Stack）,堆栈是主存中一个特殊的区域 它采用先进后出FILO（First In Last Out）或后进先出LIFO（Last In First Out）的原则进行存取操作，而不是随机存取操作方式 堆栈通常由处理器自动维持 在8086中，由堆栈段寄存器SS和堆栈指针寄存器SP共同指示,段寄存器,DS 数据段寄存器 (Data Segment) CS 代码段寄存器 (Code Segment) ES 附加段寄存器 (Extra Segment) SS 堆栈段寄存器 (Stack Segment) 这些段寄存器的内容与有效的地址一起，用于确定内存的物理地址。通常用CS、DS、ES以及SS用于确定代码段、数据段、附加段以及堆栈段的基地址。,指令指针IP,指令指针寄存器IP，指示代码段中指令的偏移地址 它与代码段寄存器CS联用，确定下一条指令的物理地址 计算机通过CS : IP寄存器来控制指令序列的执行流程 IP寄存器是一个专用寄存器,标志寄存器,标志（Flag）用于反映指令执行结果或控制指令执行形式，形成16位标志寄存器FLAGS（程序状态字PSW寄存器） 状态标志用来记录程序运行结果的状态信息，许多指令的执行都将相应地设置它 CF ZF SF PF OF AF 控制标志可由程序根据需要用指令设置，用于控制处理器执行指令的方式 DF IF TF,进位标志CF（Carry Flag）,当运算结果的最高有效位有进位（加法）或借位（减法）时，进位标志置1，即CF = 1；否则CF = 0。,3AH + 7CHB6H，没有进位：CF = 0 AAH + 7CH（1）26H，有进位：CF = 1,零标志ZF（Zero Flag）,若运算结果为0，则ZF = 1； 否则ZF = 0,3AH + 7CHB6H，结果不是零：ZF = 0 84H + 7CH（1）00H，结果是零：ZF = 1,注意：ZF为1表示的结果是0,符号标志SF（Sign Flag）,运算结果最高位为1，则SF = 1；否则SF = 0,3AH + 7CHB6H，最高位D71：SF = 1 84H + 7CH（1）00H，最高位D70：SF = 0,有符号数据用最高有效位表示数据的符号 所以，最高有效位就是符号标志的状态,奇偶标志PF（Parity Flag）,当运算结果最低字节中“1”的个数为零或偶数时，PF = 1；否则PF = 0,3AH + 7CHB6H10110110B 结果中有5个1，是奇数：PF = 0,PF标志仅反映最低8位中“1”的个数是偶或奇，即使是进行16位字操作,溢出标志OF（Overflow Flag）,若算术运算的结果有溢出，则OF1； 否则 OF0,3AH + 7CHB6H，产生溢出：OF = 1 AAH + 7CH（1）26H，没有溢出：OF = 0,问题 什么是溢出？ 溢出和进位有什么区别？ 处理器怎么处理，程序员如何运用？ 如何判断是否溢出？,什么是溢出,处理器内部以补码表示有符号数 8位表达的整数范围是：127128 16位表达的范围是：3276732768 如果运算结果超出这个范围，就产生了溢出 有溢出，说明有符号数的运算结果不正确,3AH7CHB6H，就是58124182， 已经超出128127范围，产生溢出，故OF1； 另一方面，补码B6H表达真值是-74， 显然运算结果也不正确,溢出和进位,溢出标志OF和进位标志CF是两个意义不同的标志 进位标志表示无符号数运算结果是否超出范围，超出范围后加上进位或借位运算结果仍然正确； 溢出标志表示有符号数运算结果是否超出范围，超出范围后运算结果不正确。,溢出和进位的对比,例1：3AH + 7CHB6H 无符号数运算： 58124182 范围内，无进位 有符号数运算： 58124182 范围外，有溢出,例2：AAH + 7CH（1）26H 无符号数运算： 170124294 范围外，有进位 有符号数运算： 8612428 范围内，无溢出,如何运用溢出和进位,处理器对两个操作数进行运算时，按照无符号数求得结果，并相应设置进位标志CF；同时，根据是否超出有符号数的范围设置溢出标志OF 应该利用哪个标志，则由程序员来决定。也就是说，如果将参加运算的操作数认为是无符号数，就应该关心进位；认为是有符号数，则要注意是否溢出,溢出的判断,判断运算结果是否溢出的简单规则： 只有当两个相同符号数相加（包括不同符号数相减），而运算结果的符号与原数据符号相反时，产生溢出；因为，此时的运算结果显然不正确 其他情况下，则不会产生溢出,若参与操作的两数在定义域内，但运算结果超出了字长范围内补码所能允许表示的值，所计算出的结果产生了错误，称之为溢出 判断方法: 利用符号位相加的进位和数值部分的最高位相加的进位两者取异或值来判断. 异或结果为1,表示有溢出, 异或结果为0,表示无溢出.,溢出的判断,辅助进位标志AF（Auxiliary Carry Flag）,3AH + 7CHB6H，D3有进位：AF = 1,运算时D3位（低半字节）有进位或借位时，AF = 1；否则AF = 0。,这个标志主要由处理器内部使用，用于十进制算术运算调整指令中，用户一般不必关心,方向标志DF（Direction Flag）,用于串操作指令，控制地址的变化方向： 设置DF0，存储器地址自动增加； 设置DF1，存储器地址自动减少。,CLD指令复位方向标志：DF0 STD指令置位方向标志：DF1,中断允许标志IF（Interrupt-enable Flag）,用于控制外部可屏蔽中断是否可以被处理器响应： 设置IF1，则允许中断； 设置IF0，则禁止中断。,CLI指令复位中断标志：IF0 STI指令置位中断标志：IF1,陷阱标志TF（Trap Flag）,用于控制处理器进入单步操作方式： 设置TF0，处理器正常工作； 设置TF1，处理器单步执行指令。,单步执行指令处理器在每条指令执行结束时，便产生一个编号为1的内部中断 这种内部中断称为单步中断 所以TF也称为单步标志 利用单步中断可对程序进行逐条指令的调试 这种逐条指令调试程序的方法就是单步调试,DEBUG中各标志位的符号表示,数据信息的表达单位,计算机中信息的单位 二进制位Bit：存储一位二进制数：0或1 字节Byte：8个二进制位，D7D0 字Word：16位，2个字节，D15D0 双字DWord：32位，4个字节，D31D0 最低有效位LSB：数据的最低位，D0位 最高有效位MSB：数据的最高位，对应字节、字、双字分别指D7、D15、D31位,数据的存储格式,低地址,存储单元及其存储内容,主存储器需要利用地址区别 每个存储单元都有一个编号；被称为存储器地址 每个存储单元存放一个字节的内容,0002H单元存放有一个数据34H 表达为 0002H34H,多字节数据存放方式,多字节数据在存储器中占连续的多个存储单元： 存放：低字节存入低地址，高字节存入高地址 表达：用低地址表示多字节数据占据的地址空间,2号“字”单元的内容为： 0002H = 1234H 2号“双字”单元的内容为： 0002H = 78561234H,80x86处理器采用“低对低、高对高”：小端方式Little Endian,数据的地址对齐,同一个存储器地址可以是字节单元地址、字单元地址、双字单元地址等等 字单元安排在偶地址（xxx0B）、双字单元安排在模4地址（xx00B）等，被称为“地址对齐（Align）” 对于不对齐地址的数据，处理器访问时，需要额外的访问存储器时间 应该将数据的地址对齐，以取得较高的存取速度,数据的地址对齐,为什么地址对齐能取得较高的存取速度? 实际上,8086的1M存储空间分为两个512KB的存储体,其中一个存储体每个地址都是偶地址,另外一个存储体每个地址都是奇地址. 8086的16位数据总线D7-D0与偶存储体相连,D15-D8与奇存储体相连.字单元安排在偶数地址存储器操作只需要一次,如安排在奇数地址,则需要两次存储器操作.,存储器的分段管理,8086 CPU有20条地址线 最大可寻址空间为2201MB 物理地址范围从00000HFFFFFH 8086CPU将1MB空间分成许多逻辑段（Segment） 每个段最大限制为64KB 段地址的低4位为0000B 这样，一个存储单元除具有一个唯一的物理地址外，还具有多个逻辑地址,物理地址和逻辑地址,每个物理存储单元有一个唯一的20位编号，即物理地址： 00000HFFFFFH 分段后用户编程时，采用逻辑地址： 段基地址 : 段内偏移地址,分隔符,逻辑地址,段地址说明逻辑段在主存中的起始位置 8086规定段地址必须是模16地址：xxxx0H 省略低4位0000B，段地址就可以用16位数据表示，就能用16位段寄存器表达段地址 偏移地址说明主存单元距离段起始位置的偏移量 每段不超过64KB，偏移地址也可用16位数据表示,物理地址和逻辑地址的转换,将逻辑地址中的段地址左移4位，加上偏移地址就得到20位物理地址 一个物理地址可以有多个逻辑地址,逻辑地址 1460:100、1380:F00 物理地址 14700H 14700H,段寄存器,8086有4个16位段寄存器，每个段寄存器确定一个逻辑段的起始地址，每种逻辑段均有各自的用途 CS（Code Segment） 指明代码段的起始地址 SS（Stack Segment） 指明堆栈段的起始地址 DS（Data Segment） 指明数据段的起始地址 ES（Extra Segment） 指明附加段的起始地址,代码段（Code Segment）,代码段用来存放程序的指令序列 代码段寄存器CS存放代码段的段地址 指令指针寄存器IP指示下条指令的偏移地址 处理器利用CS:IP取得下一条要执行的指令,堆栈段（Stack Segment）,堆栈段确定堆栈所在的主存区域 堆栈段寄存器SS存放堆栈段的段地址 堆栈指针寄存器SP指示堆栈栈顶的偏移地址 处理器利用SS:SP操作堆栈顶的数据,数据段（Data Segment）,数据段存放运行程序所用的数据 数据段寄存器DS存放数据段的段地址 各种主存寻址方式（有效地址EA）得到存储器中操作数的偏移地址 处理器利用DS:EA存取数据段中的数据,附加段（Extra Segment）,附加段是附加的数据段，也用于数据的保存： 附加段寄存器ES存放附加段的段地址 各种主存寻址方式（有效地址EA）得到存储器中操作数的偏移地址 处理器利用ES:EA存取附加段中的数据 串操作指令将附加段作为其目的操作数的存放区域,如何分配各个逻辑段,程序的指令序列必须安排在代码段 程序使用的堆栈一定在堆栈段 程序中的数据默认是安排在数据段，也经常安排在附加段，尤其是串操作的目的区必须是附加段 数据的存放比较灵活，实际上可以存放在任何一种逻辑段中,段超越前缀指令,没有指明时，一般的数据访问在DS段；使用BP访问主存，则在SS段 默认的情况允许改变，需要使用段超越前缀指令；8086指令系统中有4个： CS: ；代码段超越，使用代码段的数据 SS: ；堆栈段超越，使用堆栈段的数据 DS: ；数据段超越，使用数据段的数据 ES: ；附加段超越，使用附加段的数据,段超越的示例,没有段超越的指令实例： MOV AX,2000H ；AXDS:2000H ；从默认的DS数据段取出数据 采用段超越前缀的指令实例： MOV AX,ES:2000H ；AXES:2000H ；从指定的ES附加段取出数据,段寄存器的使用规定,存储器的分段,8086对逻辑段要求： 段地址低4位均为0 每段最大不超过64KB 8086对逻辑段并不要求： 必须是64KB 各段之间完全分开（即可以重叠）,各个逻辑段独立,各个逻辑段重叠,1MB空间的分段,1MB空间最多能分成多少个段？ 每隔16个存储单元就可以开始一个段 所以1MB最多可以有： 2201621664K 个段 1MB空间最少能分成多少个段？ 每隔64K个存储单元开始一个段 所以1MB最少可以有： 22021616 个段,8086对存储器的访问,2.2 8086微处理器的引脚及工作模式,一、8086CPU的引脚及其功能,8086CPU的40条引脚信号可按功能分可分为四类，它们是： 地址总线 数据总线 控制总线 其它(时钟与电源)。,1.最小模式和最大模式概念,(1)最小模式: 在系统中只有一个微处理器。 (2)最大模式： 两个或多个微处理器（主处理器、协处理器）,2.8086的引脚信号,（1）最小模式（ MN/MX接5V）, AD15AD0，地址/数据总线 A19/S6A16/S3，地址/状态总线 BHE/ S7，高8位数据允许/状态线 MN/MX，最小/最大模式控制信号，输入 RD，读信号 WR，写信号 M/IO，存储器/输入输出控制信号,ALE，地址锁存允许信号 READY(Ready)，准备就绪信号 INTR，可屏蔽中断请求信号 INTA，中断响应信号 NMI，非屏蔽中断请求信号 RESET，系统复位信号 DEN，数据允许信号 DT/R，数据发送/接收控制信号,HOLD，总线保持请求信号输入 HLDA，总线保持响应信号 TEST，测试信号 CLK，时钟输入信号 VCC(+5V)，GND,（2）最大模式（ MN/MX接地）,8086 CPU工作在最大模式时，其2431引脚需重新定义，如表2-4所示。,QS1/QS0，指令队列状态信号 S2、S1、S0 ，总线周期状态信号 LOCK ，总线封锁信号 RQ/GT1和RQ/GT0 ，总线请求信号输入/总线请求信号允许输出,二、8086在最小和最大模式下的典型配置,在最小工作模式系统配置中，除了8086CPU外，还需要在外围电路中加入： 1片8284A，作为时钟发生器。 3片8282(8位锁存器)或74LS373，作为地址锁存器。 2片8286/8287或74LS245，作为双向总线收发器，以增加数据总线的驱动能力。,2.8086最大工作模式的典型配置,从图2-9和图2-10中可以看出，8086CPU在最大模式和最小模式之间的主要区别是：在最大模式下，需要增加一个转换控制信号的电路，用来对CPU发出的控制信号进行变换和组合，即8288总线控制器。 8288接受8086CPU的状态信号S2、S1和S0，经过变换和组合，由8288产生并发出对存储器或I/O端口的读/写信号，产生和发出对地址锁存器8282及总线收发器8286的控制信号等。,2.3 8086的寻址方式,指令系统设计了多种操作数的来源 寻找操作数的过程就是操作数的寻址 操作数采取哪一种寻址方式，会影响机器运行的速度和效率 如何寻址一个操作数对程序设计很重要,上机实践的建议 配合调试程序DEBUG单步执行每条指令显示结果,感性认识因直观而印象深刻,调试程序DEBUG,DEBUG是常用的汇编语言级调试工具，为汇编语言程序员提供了分析指令、跟踪程序的有效手段 常用命令： A 汇编 U 反汇编 T 单步执行 G 断点执行 D 数据显示 R 寄存器,指令的组成,指令由操作码和操作数两部分组成 操作码说明计算机要执行哪种操作，如传送、运算、移位、跳转等操作，它是指令中不可缺少的组成部分 操作数是指令执行的参与者，即各种操作的对象 有些指令不需要操作数，通常的指令都有一个或两个操作数，个别指令有3个甚至4个操作数,指令的操作码和操作数,每种指令的操作码： 用一个唯一的助记符表示（指令功能的英文缩写） 对应着机器指令的一个二进制编码 指令中的操作数： 可以是一个具体的数值 可以是存放数据的寄存器 或指明数据在主存位置的存储器地址,8086的机器代码格式,8086的机器代码格式,标准机器代码示例,mov ax,BP+0 ；机器代码是 8B 46 00 前一个字节8B是操作码(含w1表示字操作) 中间一个字节46（01 000 110）是 “mod reg r/m”字节 reg000表示目的操作数为AX mod01和r/m110表示源操作数为BP+D8 最后一个字节就是8位位移量D800,其它机器代码形式,mov al,05 ；机器代码是B0 05 前一个字节B0是操作码（含一个操作数AL），后一个字节05是立即数 mov ax,0102H ；机器代码是B8 02 01 前一个字节B8是操作码（含一个操作数AX），后两个字节02 01是16位立即数（低字节02在低地址）,指令的助记符格式,操作码 操作数1,操作数2 ；注释 操作数2，称为源操作数 src，它表示参与指令操作的一个对象 操作数1，称为目的操作数 dest，它不仅可以作为指令操作的一个对象，还可以用来存放指令操作的结果 分号后的内容是对指令的解释,传送指令MOV的格式,MOV dest,src ；destsrc 功能：将源操作数src传送至目的操作数dest MOV AL,05H ；AL05H MOV BX,AX ；BXAX MOV AX,SI ；AXDS:SI MOV AX,BP+06H ；AXSS:BP+06H MOV AX,BX+SI ；AXDS:BX+SI,传送指令MOV的功能,源操作数 src,目的操作数 dest,30H,30H,被传送的数据,立即数寻址方式,指令中的操作数直接存放在机器代码中，紧跟在操作码之后（操作数作为指令的一部分存放在操作码之后的主存单元中） 这种操作数被称为立即数imm 它可以是8位数值i8（00HFFH） 也可以是16位数值i16（0000HFFFFH） 立即数寻址方式常用来给寄存器赋值 MOV AL,05H ；AL05H MOV AX,0102H ；AX0102H,立即数寻址指令,MOV AX,0102H ；AX0102H,立即寻址,寄存器寻址方式,操作数存放在CPU的内部寄存器reg中： 8位寄存器r8： AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH、DL 16位寄存器r16： AX、BX、CX、DX、SI、DI、BP、SP 4个段寄存器seg： CS、DS、SS、ES MOV AX,1234H ；AX1234H MOV BX,AX ；BXAX,寄存器寻址指令,MOV BX,AX ；BXAX,寄存器寻址,存储器寻址方式,指令中给出操作数的主存地址信息（偏移地址，称之为有效地址EA），而段地址在默认的或用段超越前缀指定的段寄存器中 8086设计了多种存储器寻址方式 1、直接寻址方式 2、寄存器间接寻址方式 3、寄存器相对寻址方式 4、基址变址寻址方式 5、相对基址变址寻址方式,直接寻址方式,有效地址在指令中直接给出 默认的段地址在DS段寄存器，可使用段超越前缀改变 MOV AX,2000H ；AXDS:2000H ；指令代码：A1 00 20 MOV AX,ES:2000H ；AXES:2000H ；指令代码：26 A1 00 20,直接寻址指令,MOV AX,2000H ；AXDS:2000H,直接寻址,寄存器间接寻址方式,有效地址存放在基址寄存器BX或变址寄存器SI、DI中 默认的段地址在DS段寄存器，可使用段超越前缀改变 MOV AX,SI ；AXDS:SI,间接寻址,寄存器相对寻址方式,有效地址是寄存器内容与有符号8位或16位位移量之和，寄存器可以是BX/BP或SI/DI 有